(57)【要約】    【課題】  防爆性の向上を図るとともに、燃料電池システム等のように被測定ガス中に水分が多量に含まれる場合においてもガス濃度を正確に検出する。    【解決手段】  ヒータ内蔵型のガス濃度センサ素子４を覆うように第１防爆体１０（センサ保護管７および金網９）を設け、本管５０内を流れる被測定ガスをガス濃度センサ素子４側に導く通路に第２防爆体（細管）１１を設けた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスが流れる本管から被測定ガスを導入するガス導入管と、前記導入された被測定ガスの濃度を検出する加熱型のガス濃度センサ素子と、を有するガス濃度検出装置において、
前記ガス濃度センサ素子を覆うように設けた第１防爆体と、
前記ガス導入管内に配置した第２防爆体と、
を有することを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
前記第２防爆体は、前記ガス導入管内に複数の細管を束ねて構成したことを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記第２防爆体は、前記ガス導入管内をハニカム構造としたことを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記第２防爆体は、前記ガス導入管の本管側の先端から突出する先端部が山型の形状であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のガス濃度検出装置。
【請求項５】
前記第２防爆体は、前記ガス濃度センサ素子側の後端部が本管側の先端部より高い位置にあり且つ前記本管内の被測定ガス流れの下流側ほど重力が作用する向きに低くなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のガス濃度検出装置。
【請求項６】
前記ガス導入管は、その先端部に、前記本管内の被測定ガスの流れ方向と平行に配置し、前記本管から被測定ガスを導入する試料採取管部を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のガス濃度検出装置。
【請求項７】
前記ガス導入管は、前記本管から外側へ所定の長さ分突き出して形成したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のガス濃度検出装置。                                                                                
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素濃度あるいは水素濃度等を検出するガス濃度検出装置に関し、特に燃料電池システム等に適用可能な装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、酸素濃度あるいは水素濃度を検出する方法としては、特許文献１に記載のように、酸素イオン伝導性の固体電解質を用いることが知られている。この方法は、酸素イオン伝導性の固体電解質が６００℃〜９００℃の高温にて最適な動作をする性質を利用するものである。
しかしながら、この方法は、水素を燃料とする燃料電池システムへの適用にあたっては安全面において問題があった。すなわち燃料電池システムにおいて固体電解質のプロトン交換膜が破壊したときには、水素ラインへ酸素（空気）が流入するような異常な事態が生じ、水素ラインに取り付けた水素検出器が着火源となって爆発する恐れがある。一方、酸素（空気）ラインへ水素が流入する場合も同様に、酸素検出器が着火源となって爆発する恐れがある。
【０００３】
これらの問題を解決する例として特許文献２に記載の防爆型センサが開示されている。この防爆型センサは、高温の固体電解質体を覆うように金網や焼結金属を設けた防爆構造となっている。この防爆構造は、火炎伝播を防ぐフレームアレスター効果（火炎防止装置としての効果）を有するものであり、検出器外部への火炎伝播を防ぐことからシステム全体の爆発的燃焼を防止する。
【特許文献１】特開２０００−９６８５号公報
【特許文献２】特開２０００−６５７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献２においても、防爆構造体の防爆機能だけに頼るものであって、その防爆機能が失陥すれば安全性は保たれなくなる。防爆構造体が防爆機能を失陥する要因としては、防爆構造体の破損、腐食、劣化、または異物接触による損傷等がある。
さらには、燃料電池システムの場合、安全性の問題だけではなく、被測定ガスには水分量が比較的多く、且つガスの温度が１００℃以下のため、被測定ガス中の水分が相変化を生じ、気相分の水分濃度が大きく変化してしまうことがある。このような相変化があると、他のガス成分濃度（酸素濃度あるいは水素濃度）が影響を受け、ガス濃度の検出誤差を招いてしまう。
【０００５】
本発明は、このような問題に着目してなされたもので、防爆性の向上を図るとともに、燃料電池システム等のように被測定ガス中に水分が多量に含まれる場合においてもガス濃度を正確に検出できる装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そのため本発明では、ガス導入管と、加熱型のガス濃度センサ素子と、を有するガス濃度検出装置において、ガス濃度センサ素子を覆うように設けた第１防爆体と、ガス導入管内に配置した第２防爆体と、を設ける。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、第１防爆体および第２防爆体により防爆性を向上できるため、ガス濃度検出装置の安全性をより高めることができるという効果がある。そして、被測定ガス中に水分が多量に含まれる場合においてもガス濃度を正確に検出でき、計測誤差や信頼性を確保することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係るガス濃度検出装置１の構成を示す図である。図２は、図１のＡ−Ａ線における断面を示す図である。なお、ガス濃度検出装置１は、検出するガス濃度の対象として酸素濃度あるいは水素濃度を検出するものであり、これらの濃度検出は同様に検出可能である、または酸素と水素ガスとからなる被測定ガスにおいては酸素濃度を測定することで残りの水素濃度を検出可能であるため、ここでは酸素濃度を検出する装置についてのみ説明する。
【０００９】
ガス濃度検出装置１は、センサ本体２とガス導入管３とから大別構成されており、被測定ガスが流れる本管５０に形成された貫通孔５０ａに挿入されている。
センサ本体２は、ガス濃度センサ素子４、センサ素子支持体５、コネクタ６、およびセンサ保護管７を含んで構成されている。ガス濃度センサ素子４は、その根本側にてセンサ素子支持体５により支持され、さらに支持体５の外周にはコネクタ６が配置される一方、コネクタ６には、ガス濃度センサ素子４を覆ってセンサ保護管７が設けられている。
【００１０】
ガス濃度センサ素子４はヒーター（図示せず）を内蔵する加熱型であり、ガス濃度（ここでは酸素濃度とする）を検出する。ガス濃度センサ素子４は、一端（図１の下側）がセンサ素子支持体５およびコネクタ６の下端より下側に突出しており、他端（図１の上側）には電気的接続のためのリード線８が接続されている。
センサ素子支持体５は、ガスシール、断熱および電気絶縁の役目をする。リード線８は、ガス濃度センサ素子４からの電気的信号の伝達またはヒーター（図示せず）を昇温させるための電気を送る。
【００１１】
コネクタ６には、センサ素子支持体５によりガス濃度センサ素子４が一体的に保持されている。コネクタ６の下端（図の下側）には、ガス濃度センサ素子４を覆うようにセンサ保護管７が接続されている。センサ保護管７は、一端（図の下側）が閉じた有底円筒状であり、他端（図の上側）はコネクタ６の下端に接続されている。センサ保護管７には、円周方向の所定間隔で所定形状の窓（貫通孔）が形成され、この窓に金網９が装着されている（または金網構造となっている）。これによりガス濃度センサ素子４には、ガスの通過が可能となる。
【００１２】
センサ保護管７および金網９は、火炎伝播防止機能を有する第１防爆体１０として構成されている。特に燃料電池システム等においては被測定ガスが水素ガスであるため、ガス濃度センサ素子４内のヒーターの熱により水素ガスが燃焼を起こしてしまった場合においても第１防爆体１０が火炎伝播を防止する。なお、防爆体１０は、センサ保護管７全体を金網９にして構成してもよく、火炎伝播を防止し、且つガス濃度センサ素子４に被測定ガスを通過可能であれば金網９の目の大きさは構わない。
【００１３】
またガス導入管３は、本管５０の貫通孔５０ａに挿入されており、本管５０内を流れる被測定ガスをセンサ本体２のガス濃度センサ素子４（第１防爆体１０内）に導入する。ガス導入管３は、中空円筒状であり、この内側にガス導入管３と同じ長さの細管１１を隙間無く多数束ねられるように配設している（図１，２参照）。細管１１は、肉厚が例えば０．１mm以下の薄肉であり、細管１１の内径は、ガス導入管３の内径より十分に小さく、ここでは０．１〜０．３mm程度としている。この細管１１が第２防爆体としての機能を有し、ガス濃度センサ素子４内のヒーターの熱により水素ガスが燃焼を起こしてしまった場合においても火炎伝播を防止する。
【００１４】
なお、ガス導入管３内に設けられる第２防爆体は、ハニカム構造であってもよい（図２参照）。すなわち、本管５０内を流れる被測定ガスをセンサ本体２に導く通路に防爆機能を設けることを目的としている。このため、第２防爆体は、被測定ガスを通過可能であり、且つ火炎伝播を防止可能な強度を兼ね備えていれば足りる。
ガス導入管３は、本管５０から外側へ所定の長さ分突き出して設計している。これにより、ガス導入管３の外周が外気によって冷却（空冷）可能となっている。そして、被測定ガス中の水分濃度を低減させるとともに安定させることができ、ガス濃度検出精度を向上させる。
【００１５】
ガス導入管３は、前述のセンサ本体２（コネクタ６）との間に配置されたセンサホルダー１２により保持される。センサホルダー１２は、略中空円筒状であり、下端部に配置された断熱体１３によりガス導入管３の上端部を保持する。
センサホルダー１２の上部内周面には、雌ねじ１２ａが形成されており、この部分１２ａに、コネクタ６のボス部外周に形成された雄ねじ６ａが螺合する。センサホルダー１２の上端面１２ｂと、コネクタ６の肩部６ｂとの間にはガスケット１４が圧縮された状態で配置されている。
【００１６】
以上の構成における作用について説明する。
第一の作用として、ガス導入管３内に配置された細管１１（第２防爆体）は、その内径が小さく、火炎伝播を防止する効果を有する。５００℃以上の高温部を持つセンサ本体２には第１防爆体１０を備えているが、第１防爆体１０が機能失陥した場合でも、細管１１によってセンサ本体２内で生じた火炎が本管５０側に伝播することを防止でき、防爆性が一段と高められる。
【００１７】
第二の作用として、ガス導入管３は、本管５０から外側へ所定の長さ分突き出して設けたため、ガス導入管３の外周が外気によって冷却（空冷）されることで、被測定ガス中の水蒸気が凝縮し水蒸気濃度を低減するとともに水蒸気濃度を安定させる作用が働く。この作用効果をさらに詳しく説明すると、被測定ガス中の各成分濃度は、水蒸気濃度の変化が直接的に影響する。
【００１８】
例えば燃料電池システムのように、発生する水分が多く運転状態によって水分状態（水蒸気状態や液水状態）が大きく変化する場合、ガス（酸素あるいは水素）の濃度もその影響を受け大きく変化してしまう。水分は相変化（気体⇔液体）することから非常に厄介である。このため、ガス導入管３内に配置した細管１１により水蒸気濃度（ガス温度）を下げ、水分変化の影響を小さくしてガス濃度を検出する。
【００１９】
ここで、断熱体１３は、センサホルダー１２の熱をガス導入管３側に伝熱し難くする。すなわちセンサ本体２に到達する被測定ガスの温度を下げる（水蒸気を低減させる）ためには、この断熱体１３も有効に働く。
また、ガス導入管３の長さはガス濃度検出の要求精度を確保できる所定長さであって、応答性を考慮すると短い方が好ましいが、本発明の場合（多管構造で冷却表面積が多い場合）には、水蒸気を効率良く凝縮させることができることから短くて済む効果も有する。
【００２０】
本実施形態によれば、被測定ガスが流れる本管５０から被測定ガスを導入するガス導入管３と、導入された被測定ガスの濃度を検出する加熱型のガス濃度センサ素子４と、を有するガス濃度検出装置において、ガス濃度センサ素子４を覆うように設けた第１防爆体１０と、ガス導入管３内に配置した第２防爆体と、を有する。このため、第１防爆体１０および第２防爆体により防爆性を向上できるため、ガス濃度検出装置１の安全性をより高めることができる。
【００２１】
また本実施形態によれば、第２防爆体は、ガス導入管３内に複数の細管１１を束ねて構成した。このため、本管５０から被測定ガスを導入する通路を十分に確保でき、ガス濃度検出応答を損なうことを防止できる。
また本実施形態によれば、第２防爆体は、ガス導入管３内をハニカム構造とした（図２）。このため、本管５０から被測定ガスを導入する通路を十分に確保でき、ガス濃度検出応答を損なうことを防止できる。
【００２２】
また本実施形態によれば、ガス導入管３は、本管５０から外側へ所定の長さ分突き出して形成した。このため、被測定ガス中に水分が多量に含まれる場合においても、ガス導入管３が外気によって冷却され、被測定ガス中の水蒸気濃度を安定させることができる。これによりガス濃度を正確に検出でき、計測誤差や信頼性を確保することができる。
次に、第２の実施形態について図３および図４を用いて説明する。なお、本実施形態において第１の実施形態と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。
【００２３】
本実施形態では、図３に示すように、第２防爆体として機能する複数の細管１１の長さをそれぞれ変更している。これにより第２防爆体は、ガス導入管３の本管５０側（図３の下側）の先端から突出する先端部（１１ａ，１１ｃ）が山型の形状となる。更に、第２防爆体は、ガス濃度センサ素子４側の後端部（１１ｂ）が本管５０側の先端部より高い位置にあり且つ本管５０内の被測定ガス流れの下流側（図３の右側）ほど重力が作用する向きに低くなるように形成されている。
【００２４】
ここで、第２防爆体（細管１１）の先端部の「山型」とは、下側に円錐状に形成することばかりではなく、細管１１の最下端点を被測定ガス流れ方向に垂直に形成した稜線とする形状を含むものとする。
第２防爆体の先端部は山型であるため、まず被測定ガスの流れに対向する入口開口部１１ａでは、被測定ガスが動圧を受けセンサ本体２側に押し込まれるように流入する。この時、被測定ガス中に含まれる水蒸気の凝縮が行われ、凝縮水が発生する。
【００２５】
凝縮水は、細管１１の下方（本管５０内）に落ちる分と、ガス流によりガス濃度センサ素子４側に運ばれる分とがあるが、ここではガス濃度センサ素子４側に開口した第２防爆体の後端部が下流側ほど重力の作用する向きに低く形状しているため、ガス濃度センサ素子４側に運ばれる水分は下流側に運ばれ易く（センサ側開口部１１ｂにおけるの破線矢印参照）、第２防爆体の出口開口部１１ｃを介して本管５０内に排出される。
【００２６】
そして、入口開口部１１ａは、その傾斜面が被測定ガスの上流側に面するように傾斜して形成している一方、出口開口部１１ｃは、その傾斜面が被測定ガスの下流側に面するように傾斜して形成している（図３参照）。このため、出口開口部１１ｃにおいては、入口開口部１１ａより圧力が低く、被測定ガス（含む凝縮水）は破線矢印に示すように、入口開口部１１ａ→センサ側開口部１１ｂ→出口開口部１１ｃの順に滑らかに流れる。これにより、ガス濃度検出装置１が検出する被測定ガスの置換を速くでき、検出装置１の検出応答性が向上する。
【００２７】
なお、図４に示すように、ガス導入管３（細管１１）の入口開口部１１ａの傾きを大きくする一方、出口開口部１１ｃの傾きを小さくすることで（Ｌ１＜Ｌ２）、凝縮水が多い場合でも滑らかなガス流れが得られるようにしてもよい。
本実施形態によれば、第２防爆体（細管１１）は、ガス導入管３の本管５０側の先端から突出する先端部（入口開口部１１ａ、出口開口部１１ｃ）が山型の形状である。このため、第２防爆体内の入口開口部１１ａからセンサ本体２側に被測定ガスを導入した後、出口開口部１１から滑らかに流すことができる。
【００２８】
また本実施形態によれば、第２防爆体は、ガス濃度センサ素子４側の後端部（センサ側開口部１１ｂ）が本管５０側の先端部（入口開口部１１ａ、出口開口部１１ｃ）より高い位置にあり且つ本管５０内の被測定ガス流れの下流側ほど重力が作用する向きに低くなるように形成されている。このため、ガス濃度センサ素子４側に導入される時に被測定ガスの圧縮により発生した凝縮水が効率よく排出できる。
【００２９】
次に、第３の実施形態について図５を用いて説明する。なお、本実施形態において第２の実施形態と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、ガス導入管３の先端部に、本管５０内の被測定ガスの流れ方向と平行に配置し、本管５０から被測定ガスを導入する試料採取管部３ａを形成した。試料採取管部３ａの採取部３ｂは、本管５０の上流側に開口しており、被測定ガスが入口開口部１１ａから導入される。このため、破線矢印に示す通り、入口開口部１１ａから被測定ガス（含む凝縮水）がセンサ本体２側へ導入されると共に、入口開口部１１ａ→センサ側開口部１１ｂ→出口開口部１１ｃの順に滑らかに流れる。そして、試料採取管部３ａの排出部３ｃにより被測定ガスおよび凝縮水が排出される。
【００３０】
なお、ここでも図４に示すように、ガス導入管３（細管１１）の入口開口部１１ａの傾きを大きくする一方、出口開口部１１ｃの傾きを小さくすることで（Ｌ１＜Ｌ２）、凝縮水が多い場合でも滑らかなガス流れが得られるようにしてもよい。
また第２防爆体の先端部（入口開口部１１ａ、出口開口部１１ｃ）は、試料採取管部３ａの底部に達する必要はなく、例えば第１の実施形態と同じくガス導入管３と同じ長さにしてもよい。
【００３１】
本実施形態によれば、ガス導入管３は、その先端部に、本管５０内の被測定ガスの流れ方向と平行に配置し、本管５０から被測定ガスを導入する試料採取管部３ａを有する。このため、試料採取管部３ａの採取部３ｂおよび入口開口部１１ａを介してセンサ本体２側に被測定ガスを容易に導入できると共に、センサ側開口部１１ｂ、出口開口部１１ｃおよび排出部３ｃを介して被測定ガス（含む凝縮水）を排出できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１の実施形態を示す断面図
【図２】図１のＡ−Ａ線における断面図
【図３】第２の実施形態を示す断面図
【図４】ガス導入管３の下端部を示す断面図
【図５】第３の実施形態を示す断面図
【符号の説明】
【００３３】
１  ガス濃度検出装置
２  センサ本体
３  ガス導入管
４  ガス濃度センサ素子
５  センサ素子支持体
１０  第１防爆体
１１  細管（第２防爆体）
１１ａ  入口開口部（先端部）
１１ｂ  センサ開口部（後端部）
１１ｃ  出口開口部（先端部）
５０  本管
５０ａ  貫通孔
【図１】
2006017619.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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